DO AN THEP (THIET KE KHUNG NGANG NHA CONG NGHIEP ) DHBK DA NANG

thiết kế khung ngang nhà công nghiệp nhẹ một tầng, hệ khung dầm, đồ án của trường Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng, GVHD: ThS. Nguyễn Tấn HưngNội dung:chọn tiết diện khung, tính tải trọng tác dụng vào khung, tính nội lực khungthiết kế cột khung bằng thép tổ hợp,thiết kế xà ngang thay đổi tiết diện mọt lầnthiết kế các chi tiết cột khung, chi tiết nối dầm

PHẦN 1: SỐ LIỆU VÀ NHIỆM VỤ THIẾT KẾ

1.Số liệu thiết kế

Thiết kế khung ngang nhà công nghiệp một tầng, một nhịp có cầu trục Các số liệu thiết

Nhịp khung: L = 21 m

Bước khung: B = 8,0 m; toàn bộ nhà dài 20B = 160m

 Sức trục: Q = 200KN; Số cầu trục làm việc trong xưởng là 2 chiếc, chế độ làm

việc trung bình

 Cao trình đỉnh ray: H1 = 8 m

 Vùng gió: IIA

 Dạng địa hình xây dựng công trình: B

 Chiều cao dầm cầu trục: hdct = 1/10B=0.8m; Chiều cao ray: hr = 0,15 m

 Nhịp cửa trời: Lct =4 m

 Chiều cao cửa trời: Hct = 2 m

 Mái lợp tôn múi dày 0,47mm

 Vật liệu: Thép CCT34, hàn tự động, que hàn N42 (d = 3-5mm) hoặc tương đương

Bê tông móng cấp độ bền B20

Kết cấu bao che: Tường xây gạch cao 1,5 m ở phía dưới, thưng tôn ở phía trên

2.

Nhiệm vụ thiết kế

2.1 Thuyết minh tính toán

 Thành lập sơ đồ kết cấu: Xác định kích thước khung ngang, lập mặt bằng lưới

cột, bố trí hệ giằng mái, hệ giằng cột

 Xác định tải trọng tác dụng lên khung ngang: tải trọng mái, tải trọng cầu trục,

tải trọng gió

 Tính nội lực khung ngang Vẽ biểu đồ nội lực M, N, V cho từng trường hợp tảitrọng Lập bảng thống kê nội lực, bảng tổ hợp nội lực cho các tiết diện đặctrưng của cột và xà mái

 Thiết kế khung ngang gồm cột và xà Tính các chi tiết: Chân cột, Nối xà tại

đỉnh

PHẦN 2: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ KHUNG NGANG

1 Sơ đồ kết cấu khung ngang

Khung ngang gồm cột đặc, xà ngang tiết diện chữ I Cột có tiết diện không đổiliên kết ngàm với móng, liên kết cứng với xà xà ngang có độ dốc i = 15 % Do tínhchất làm việc của khung ngang chịu tải trọng bản thân và tải trọng gió là chủ yếu, nênthông thường nội lực trong xà ngang ở vị trí nách khung thường lớn hơn nhiều nội lựctại vị trí giữa nhịp Cấu tạo xà ngang có tiết diện thay đổi, khoảng biến đổi tiết diệncách đầu cột một đoạn (0,35 - 0,4) chiều dài nửa xà Tiết diện còn lại lấy không đổi.Cửa trời chạy dọc chiều dài nhà, mang tính chất thông gió, sơ bộ chọn chiều caocửa trời là 2m và chiều rộng cửa trời là 4m

1.1 Kích thước theo phương đứng

 Chiều cao cột dưới: Hd=H1-(hdct+hr) +hcm

Trong đó: H1 =8m cao trình đỉnh ray

Hdct=1/10B=0,8m chiều cao dầm cầu trục

hr =0,15m là chiều cao ray

hcm =1m là chiều sâu chon chân cột

1.2 Chọn sơ bộ kích thước theo phương ngang:

Nhịp nhà (lấy theo trục định vị tại mép ngoài cột )là : L=21m, Nhịp cầu trục là 19m(theo catalo bảng 4.2 với cầu trục 2 dầm kiểu ZLK tương ứng với sức trục 20T(200KN)khoảng cách an toàn từ trục ray đến mép trong của cột là Zmin=180mm

(a) Tiết diện nách khung (b) Tiết diện đoạn dầm không đổi

c Tiết diện vai cột:

Kích thước tiết diện vai cột phụ thuộc vào tải trọng cầu trục (lực tập trung do áplực đứng của cầu trục và trọng lượng bản thân dầm cầu trục, trọng lượng ray, dầm hãm

và hoạt tải trên cầu trục) và nhịp dầm vai (khoảng cách từ điểm đặt lực tập trung đếnmép cột) Sơ bộ chọn tiết diện dầm vai như sau:

Khoảng cách từ trục định vị tới trục ray dầm cầu trục  (L S ) / 2 (21 19) / 2 1   mChiều dài vai (từ mép trong của cột đến cạnh ngoài cùng vai cột )

L v   h c0,15 1 0,8 0,15 0,35    m

Khoảng cách từ trục ray cầu trục đến cạnh ngoài cùng của vai cột lấy bằng 150mm

+ chọn chiều cao dầm tại điểm đặt Dmax: h=40mm

chọn hdv=60cm

+ Bề rộng tiết diện vai cột bf=30cm

Chiều dày bản bụng vai cột tw=0,8cm

Chiều cao bản cánh vai cột tf=1,2cm

d Tiết diện cửa trời:

+ chiều cao tiết diện cửa trời: hct= 20cm

- Bảo đảm sự bất biến hình theo phương dọc nhà và độ cứng không gian cho nhà;

- Chịu các tải trọng tác dụng theo phương dọc nhà, vuông góc với mặtphẳng khung như gió thổi lên tường đầu hồi, lực hãm cầu trục, động đất xuốngmóng

- Bảo đảm ổn định (hay giảm chiều dài tính toán ngoài mặt phẳng) cho các cấukiện chịu nén của kết cấu: thanh dàn, cột,

- Tạo điều kiện thuận lợi, an toàn cho việc dựng lắp, thi công Hệ giằng bao gồm hai

nhóm: hệ giằng mái và hệ giằng cột.

a Hệ giằng cột:

Hệ giằng cột đảm bảo sự bất biến hình và độ cứng của toàn nhà theo phươngdọc, chịu các tải trọng tác dụng dọc nhà và đảm bảo ổn định của cột Dọc theo chiều dàinhà, hệ giằng cột bố trí giữa khối nhà và ở 2 đầu hồi nhà để truyền tải trọng gió mộtcách nhanh chóng Hệ giằng cột được bố trí theo 2 lớp

Hệ giằng cột trên được bố trí từ mặt dầm hãm đến đỉnh cột, hệ giằng cột dướiđược bố trí từ mặt nền đến mặt dầm vai Theo tiết diện cột, hệ giằng cột được đặt vàogiữa bản bụng cột Do sức trục Q>10T, chọn tiết diện thanh giằng làm từ thanh théptròn Ø25 Trên đỉnh cột bố trí thanh chống dọc nhà Chọn tiết diện thanh chống dọctheo độ mảnh λmax < 200 , chọn 2C20

bằng các thanh chống xiên (liên kết lên xà gồ) Tiết diện thanh chống chọn L50x5,điểm lien kết xà gồ cách xà 600mm Ngoài ra bố trí thanh chống dọc nóc tiết diện2C20 tạo điều kiện thuận lợi khi thi công lắp ghép.

CHI TI?T THANH CH? NG XÀ G? TL :1/100

h =6 f

L50x5 L50x5

XG Z30024

XG Z30024

6x130 6x130

65 80 10 80 65 300

56000

GI? NG MÁI ø25 GI? NG MÁIø25

160000 56000

2 Xác định tải trọng tác dụng lên khung

2.1 Tải trọng thường xuyên

a Tải trọng các lớp mái tính toán theo cấu tạo của mái

+ Trọng lượng mái tôn dày 0,47m là gmt=4,2daN/m2 mặt bằng mái

2

3 cn 1, 2.1, 2 1, 44 /

+ Trọng lượng hệ giằng nái và hệ thống đường ống kỹ thuật lấy bằng 2daN/m2

mặt bằng nhà Quy về trên mặt bằng mái (Độ dốc mái i=15%   8,50

b Trọng lượng bản thân dầm cầu trục

Trọng lượng dầm cầu trục tính sơ bộ theo công thức:

- Hoạt tải tiêu chuẩn của mái ptc=30daN/m2 mặt bằng nhà

Hoạt tải sửa chữa tính toán :

ptt=n.ptc=1,3.30=39 daN/m2 mặt bằng nhà

- Khi quy về tải trọng phân bố đều trên xà thì giá trị tải trọng dược nhân với cos

Vậy hoạt tải phân bố đều trên xà là:

Kiểu cầu trục ZLK, Sức trục Q= 20T, nhịp cầu trục S=19m tra bảng catalo cầu trục có có :+ Bề rộng cầu trục : B=4230mm,

Cách tính giá trị T cũng xếp bánh xe trên đ.a.h Lực T truyền lên cột quadầm hãm hoặc các chi tiết liên kết dầm cầu trục với cột nên điểm đặt tại cao trìnhmặt dầm cầu trục (hoặc mặt dầm hãm), có thể hướng vào hoặc hướng ra khỏi cột.

- W0: là áp lực gió tiêu chuẩn, gió ở vùng IIA có W0 = 83 daN/m2

- n = 1.2: là hệ số độ tin cậy của tải trọng gió

- k: là hệ số phụ thuộc vào độ cao

- C: là hệ số khí động phụ thuộc vào dạng kết cấu

- B: là bước khung

Tra theo sơ đồ 8 trong tiêu chuẩn TCVN 2737 -1995 phụ thuộc vào góc α=8,50, tỉ

lệ ∑B/L=160/21=7,6 (∑B- chiều dài toàn nhà) và H/L=10,83/21=0,52 được giá trị

Ce:

Ce1 = - 0,8 ; Ce2 = - 0.6 ; Ce3 = - 0.5 ; Ce4 = - 0.517

- Xác định hệ số k:

Hệ số k phụ thuộc vào dạng địa hình và chiều cao công trình

Công trình ở khu vực thuộc dạng địa hình B

Tra bảng 5 trong TCVN 2737 -1995

+ Cao trình đỉnh cột 10,83m tra bảng có k =1,013

+ Cao trình đỉnh mái 14,378m tra bảng có k =1,07

Bảng 2.3 Tải trọng gió theo phương ngang nhà

ST

T.T tiêu chuẩn Hệ số k Hệ số C vượt tảiHệ số khungBước Tổng tải trọng

* Dấu âm nghĩa là tải trọng gió hướng ra ngoài khung.

b) Trường hợp gió thổi dọc nhà:

Bảng 2.4 Tải trọng gió theo phương dọc nhà

ST

T

Loại tải T.T tiêuchuẩn số kHệ Hệ sốC vượt tảiHệ số khungBước Tổngtải

trọngdaN/

4.1 Mô hình hóa kết cấu khung trong phần mềm Sap2000

a,, Sơ đồ kết cấu:

- Tính toán kết cấu theo sơ đồ khung phẳng

- Nhịp tính toán khung lấy theo khoảng tim của 2 trục cột, trục xà gãy khúc tại điểm thay đổi tiết diện ( nối tâm của tiết diện nách xà với tâm của tiết diện tải chổ đổi, đoạn còn lại lấytrùng với trục của tiết diện bé)

- Liên kết giữa cột với móng là liên kết ngàm, liên kết giữa cột với dầm là liên kết cứng

- Vật liệu : Thép CCT34 có f=2100daN/cm2, E=2,1.106 daN/cm2; ρ= 7850 daN/m3

3.2 Nội lực và tổ hợp nội lực

a Nội lực

Sử dụng phần mềm Sap2000 phân tích kết cấu khung, cho kết quả là giá trị nội lực của cấu kiện cột, xà theo các trường hợp tải trọng riêng biệt Lấy kết quả nội lực tại các tiết diện đặc biệt của khung:

Hình 3.1 Sơ đồ khung ngang trong SAP2000

Hình 3.2 Hình dạng tiết diện khung và vị trí tiết diện tính toán

Hình 3.3 Sơ đồ tĩnh tải tác dụng lên khung (TT)

Hình 3.4 Sơ đồ hoạt tải sửa chữa mái tác dụng lên nửa trái khung (HT1)

Hình 3.5 Sơ đồ hoạt tải sửa chữa mái tác dụng lên nửa phải khung (HT2)

Hình 3.7 Sơ đồ Dmax tác dụng lên cột phải (Dmax-P)

Hình 3.8 Sơ đồ Tmax tác dụng lên cột trái hướng trái (Tt-T)

Hình 3.9 Sơ đồ Tmax tác dụng lên cột phải hướng trái (Tp-T)

Hình 3.10 Sơ đồ tải trọng gió trái (GT)

Hình 3.11 Sơ đồ tải trọng gió phải (GP)

Hình 3.12 Sơ đồ tải trọng gió dọc (GD)

3.2 Nội lực và tổ hợp nội lực

a Nội lực

Sử dụng phần mềm Sap2000 phân tích kết cấu khung, cho kết quả là giá trị nội lựccủa cấu kiện cột, xà theo các trường hợp tải trọng riêng biệt Lấy kết quả nội lực tạicác tiết diện đặc biệt của khung:

- Tại cột: tiết diện chân cột (ký hiệu là tiết diện A), đỉnh cột (ký hiệu là tiết diện B), tiết diện phía trên vai cột (ký hiệu là tiết diện Ctr) và dưới vai cột (ký hiệu

là Cd)

- Tại xà: tiết diện hai đầu và giữa xà, tiết diện thay đổi

Hình 3.13 mô men tĩnh tải

Hình 3.15 Biểu đồ mô men HT2

Hình 3.16 Biểu đồ mô men Dmax-T

Hình 3.17 Biểu đồ mô men Dmax-P

Hình 3.18 Biểu đồ mô men TmaxT-T

Hình 3.19 Biểu đồ mô men TmaxP-T

Hình 3.20 Biểu đồ mômen GT

Hình 3.21 Biểu đồ mômen GP

Hình 3.22 Biểu đồ mô men GD

Có hai loại tổ hợp cơ bản 1 và tổ hợp cơ bản 2 Tổ hợp cơ bản 1 gồm nộilực do tải trọng thường xuyên và một hoạt tải (hệ số tổ hợp nc =1) Tổ hợp cơbản 2 gồm nội lực do tải trọng thường xuyên và nội lực các hoạt tải gây ra (hệ

số tổ hợp nc= 0,9) Tại mỗi tiết diện tìm được 3 cặp nội lực:

- Tổ hợp gây mô men dương lớn nhất Mmax và lực dọc, lực cắt tương ứng Ntư,

4 Kiểm tra tiết diện cột

4.1 Thông số chung

Hình 4.1 Tiết diện ngang cột

Cột chịu nén lệch tâm, tiết diện đối xứng, đặc Nội lực lớn nhất M, N, V lấy ở tiết diện chân cột.

- Nội lực tính toán:

Bảng 4.1 Các cặp nội lực gây nguy hiểm cho cột

Bảng 4.2 Kích thước hình học tiết diện

x x

h

(phụ thuộc vào tham số:

c T

xa

b I G

H I



Trong đó: b, H - chiều dài nửa xà, chiều cao cột; b=10,5m, H=10,83m

ngăn cản chuyển vị cột theo phương ngoài mặt phẳng uốn, tức là khoảng cách 2

4.2.Kiểm tra điều kiện khống chế độ mảnh

-Độ mảnh và độ mảnh quy ước của cột

với E2100000daN cm/ 2

4.3.Kiểm tra điều kiện bền

Độ lệc tâm tỉnh đổi

1,50.1,36 2,04 20

Không cần kiểm tra điều kiện bền:

4.4 kiểm tra ổn định tổng thể trong mặt phẳng khung

4.5 kiểm tra ổn định tổng thể ngoài mặt phẳng khung

Điều kiện ổn định ngoài mặt phẳng khung:

2

2100 /

c y

Vậy c xác định theo công thức: C/ (1m x)

Trong đó  và  là các hệ số xác định theo bảng 4.9 sách “Kết cấu thép cấu kiện cơ bản”

Vậy c xác định theo công thức: C/ (1m x)

Trong đó  và  là các hệ số xác định theo bảng 4.9 sách “Kết cấu thép cấu kiện cơ bản”

có  1;

Điều kiện ổn định ngoài mặt phẳng khung:

6 w

120, 2

h t

72,6 2.3 72.73

t   f  không phải đặt sườn ngang

Vậy tiết diện đã chọn như hình là thỏa mãn ổn định cục bộ

f

V S h

5.Kiểm tra tiết diện xà:

5.1 Kiểm tra tiết diện tại nách khung

5.1.1 Thông số chung

6 7

10

Hình 5.1 Tiết diện xà tại nách khung

Bảng 5.1 Kích thước hình học tiết diện

28,12139,6

x x

cm h

cm b

Độ lệch tâm tương đối

N

5.1.2 Kiểm tra điều kiện cường độ:

+ Điều kiện bền chịu uốn nén:

w 1

w

56,117.10 1238, 4

62, 6 / 110953,5.1

f x x

0 101,0

3,3730

l

0 20,05

l b

 



 

 

Ổn đỉnh tổng thể của xà được bảo đảm

5.1.4 Kiểm tra ổn định cục bộ bản cánh và bản bụng của xà:

Hình 5.2 Tiết diện xà tại nách khung

Bảng 5.2 Kích thước hình học tiết diện

18,91

114, 6

x x

I

A

6,87

114, 6

y y

cm h

cm b

3

42,6 42,6 42,6 1, 2.1 ( ).1, 2.30 1015, 2

f x

- Chiều dài tính toán xà:

Trong mặt phẳng khung: lx = 19,25m

Ngoài mặt phẳng khung: ly là khoảng cách hai xà gồ; ly = 1.010 m

Độ lệch tâm tương đối

N

5.2.2 Kiểm tra điều kiện cường độ:

+ Điều kiện bền chịu uốn nén:

w 1

0 22,64

l b

 



 

 

Ổn đỉnh tổng thể của xà được bảo đảm

5.2.4 Kiểm tra ổn định cục bộ bản cánh và bản bụng của xà:

6.1 Chi tiết chân cột

Nội lực tính toán chân cột, lấy tại tiết diện chân cột ( Tiết diện A)

Giả thiết hệ số tăng cường độ do nén cục bộ mặt bê tong móng

b bd

A A

bd .b b

N A

Chọn chiều dày dầm dế tdd =12mm, chiều dày sườn ts=10mm,

Để tính chiều dầy bản đế, tính ứng suất lớn nhất tại mỗi biên của ô bản

19,5

0,8024,5

cao đường hàn hf=8mm

chiều cao dầm đế theo điều kiện truyền lực:

Ndđ=N/2+M/hcVới hc=75-1,2=73,8cm là khoảng cách trọng tâm 2 cánh cột

Ndđ=310,770.102/2+406,429.104/73,8=51381,0170610,2daN

dd dd

- Kiểm tra dầm đế về uốn và cắt

Tải trọng uốn lấy gần đúng phân bó đều có gí trị bằng:

15+24,5/2=27,25cm cách tâm biểu đồ ứng suất 1 đoạn 59,5-27,25=32,25

ứng suất tại đó tính được

Kiểm tra 2 đường hàn liên kết sườn ngăn vào bụng cột.

chọn chiều cao đường hàn hf=8mm, lw=30-1=29cm

Bu lông neo được tính với tổ hợp nội lực gây kéo lớn nhất giữa bản đế với móng Nghĩa

là gây lực kéo lớn nhất trong nhánh cột Như vậy, N phải nhỏ nhất và M phải lớn nhất (ở tiếtdiện chân cột A-A)

Nội lực dùng để tính bu lông neo ở nhánh mái được tổ hợp từ cặp (1,11):

430, 46 391, 641.1

GT t

GT t

sách KCT cầu kiện cơ bản.

Diện tích tiết diện cần thiết của 1 bu lông neo là:

f Tính đường hàn liên kết cột vào bản đế chịu mô men, lực dọc và lực cắt

chiều cao nhỏ nhất của đường hàn là 9mm (hàn tay) khi chiều dày lớn nhất của bản đế là40mm

chiều cao lớn nhất của đường hàn theo chu vi cánh cột với bản đế là:

1,2tmin=1,2.12=14,4mm

Chiều cao lớn nhất của đường hàn bụng với bản đế: 1,2tmin=1,2.10=12mm

Chọn chiều cao đường hàn là 10mm kích thước các đường hàn ghi tren hình vẽ

Aw=2.0,7.1.(29+27)+2.0,7.1.69=175cm2

Iw=2.0,7.(27.1.35,52+29.1.382+1.693/12=144589,9cm4

3 W

Cấu tạo chân cột như hình vẽ:

245

75 75 75

10x210 10x210 10x220

10x220

30

h =8 f

6.2 Chi tiết liên kết nối xà tại đỉnh

Nội lực tính toán tại đỉnh xà tại tiết diện 4-4: M=84,054kN.m; N=-24,367kN; Q=3,656kN;

a Chọn và kiểm tra bu lông

Chọn 8 bu long đường kính 20 loại 8.8 và bố trí như hình vẽ có:

Diện tích thực của bu long Abn=2,45cm2, diện tích nguyên của bu lông Abl=3,14cm2;Cường độ tính toán chịu kéo của bu lông la ftb=4000 dan/cm2; cường độ chịu cắt tính toán của bu lông fvb=3200 daN/cm2

Lực kéo lớn nhất ở hàng bu lông ngoài cùng: h1=44,5cm; h2=31,5cm;)

4 1



Khả năng chịu kéo của bulong:  N tb A f bn. tb 2, 45.4000 9800 daN

Điều kiện : N bmax 6292daN N tb A f bn tb 9800daN thỏa mản

- Kiểm tra bu lông chịu cắt:

c Tính liên kết đường hàn mặt bản bích với xà

chiều cao nhỏ nhất của đường hàn là 6mm (hàn tay) khi chiều dày lớn nhất của bản bích

Iw=2.0,7.(29.0,6.232+27.0,6.202+0,6.403/12=26438,4cm4

3 W